Panou sandwich

Diagrama unui panou sandwich asamblat (A) și a componentelor sale, piei (B) și miezul fagure de miere (C) (sau alternativ spumă)

Prin panou sandwich (sau structură sandwich ) se înțelege un element format din două straturi rezistente, numite piei sau fețe , distanțate și conectate rigid la un element conectiv care ia numele de miez : structura astfel compusă are un comportament static considerabil mai bun decât părțile individuale din care este realizată.
Miezul este, în general, un material ușor și nu foarte rezistent, care vă permite spațierea pieilor, compuse din material nobil și cu grosime redusă. Piei sunt responsabile pentru distribuția sarcinilor în plan, prezența miezului este în schimb utilă pentru a crește valoarea rigidității flexurale a panoului, care depinde de distanța foilor de la planul mediu. Utilizarea acestei structuri este, prin urmare, comparabilă cu conceptul de grindă în secțiune I, unde miezul servește la creșterea rigidității la îndoire în direcția acesteia. Prin distanțarea pieilor, se obține o creștere foarte considerabilă a rigidității în comparație cu un panou format doar dintr-o grosime a materialului egală cu cea a celor două fețe, cu o creștere a greutății foarte mică. Din aceste motive, utilizarea panourilor sandwich se consolidează din ce în ce mai mult în industria aerospațială în ultimii patruzeci de ani.

Un exemplu mai comun de panou sandwich este acel carton în care straturile exterioare plate sunt separate de un strat de carton ondulat.

Sandwich compozit folosit pentru experimente la NASA

Piei

Piei sunt fabricate de obicei dintr-un material cu o rezistență mecanică ridicată, care poate fi un material compozit din fibră de sticlă , carbon sau Kevlar , sau chiar din aluminiu subțire sau oțel .

Miezul

Pentru structurile de bază sunt utilizate cu celule fagure de miere (fagure de miere), spume sau alte materiale.

Celulele fagure de miere

Celulele fagure sunt obținute în diferite moduri:

din foi subțiri de aluminiu care sunt prelucrate prin dilatare sau deformare. În primul caz, plăcile sunt suprapuse între care adezivul structural a fost pre-poziționat pe benzi la intervale echidistante, cu previziunea de a compensa cea a stratului inferior față de cel superior. Adezivul structural este polimerizat pentru a obține ancorarea pe aceste benzi și blocul este deformat cu o tracțiune adecvată într-o direcție perpendiculară pe plăci, deformându-l plastic. În al doilea caz, foile sunt prelucrate mai întâi prin deformarea lor plastică prin trecerea între rolele dințate cu geometrii adecvate și produsul finit se obține prin lipire;
structuri fagure formate din celule de fibre aramidice într-o matrice de rășină termorezistentă.

Ne reamintim câteva probleme de instabilitate locale sau globale care prezintă sandvișuri cu miez de fagure:

crimpling este un fenomen de nealiniere a suprafețelor pieilor în urma unei tensiuni de forfecare care induce o tensiune locală excesivă a celulei; pentru a depăși această problemă este necesar să se dimensioneze grosimea celulei, astfel încât să poată suporta sarcinile așteptate;
ridarea este un fel de fenomen de flambaj localizat al pereților unui set de celule care apare ca o depresiune într-una dintre piei; în acest caz problema este legată de modulul de compresie a feței și a nucleului;
gropița apare ca o flexie excesivă a pielii în spațiul gol dintre pereții celulei creând o suprafață ondulată; prin dimensionarea zonei celulare, această formă de instabilitate globală a pielii poate fi monitorizată.

Spume

Panouri sandwich din spumă poliuretanică și piei de oțel pentru construcția pereților.

Spumele sunt definite ca acele materiale celulare obținute prin dispersarea unui gaz într-un material plastic solid. Spuma poate fi:

cu celule deschise, dacă faza gazoasă este continuă;
celulă închisă, dacă faza gazoasă nu este interconectată;
flexibil, semirigid sau rigid;
din material termoplastic sau termorezistent.

Spuma poate fi în stare lichidă, dacă este presurizată în matriță împreună cu gazul, sau în blocuri solide semifabricate care sunt tăiate și prelucrate în mod corespunzător. Spumele sunt ușor de prelucrat și au un cost redus și, din acest motiv, sunt utilizate de obicei pentru a construi panouri sandwich, deși caracteristicile lor mecanice sunt mai mici decât cele ale fagurelui. Au caracteristici excelente de izolare termică și acustică, o capacitate excelentă de amortizare a vibrațiilor și rezistență la impact.

Alții

Alte materiale utilizate sunt:

vată de stâncă cu fibre orientate (obișnuită în panourile izolate de perete și acoperiș utilizate de exemplu în construcția clădirilor și a magaziilor prefabricate);
fibre acoperite cu o matrice de rășină termorezistentă;
materiale plastice imprimate.

Adeziv structural

Adezivul este necesar pentru a uni piei cu miezul. Adezivii pentru film ^{[1] sunt utilizați} cu caracteristici foarte asemănătoare cu cele ale rășinilor care alcătuiesc matricile din materiale compozite , pentru care este necesară polimerizarea într-o autoclavă. Există diferite formulări chimice în funcție de natura materialelor care trebuie îmbinate (metal-metal, metal-compozit, compozit-compozit).

Comportamentul mecanic

Secțiunea transversală a panoului sandwich

Modul corect de a lucra un panou sandwich este îndoirea și forfecarea . Este schematizat sub formă de placă și comportamentul său de flexiune este reglementat de formula bine-cunoscută:

D\nabla ^{4}w(x,y)=p(x,y)

{\ displaystyle D \ nabla ^ {4} w (x, y) = p (x, y)}

D \ nabla ^ {4} w (x, y) = p (x, y)

Rigiditatea flexurală este dată de suma contribuțiilor miezului și a piei:

D=E_{c}\cdot I_{c}+E_{p}\cdot I_{p}

{\ displaystyle D = E_ {c} \ cdot I_ {c} + E_ {p} \ cdot I_ {p}}

D = E_ {c} \ cdot I_ {c} + E_ {p} \ cdot I_ {p}

Momentele de inerție ale căror, pe unitate de lățime sunt valabile, respectiv:

I_{c}={\frac {1}{12}}h_{c}^{3}

{\ displaystyle I_ {c} = {\ frac {1} {12}} h_ {c} ^ {3}}

I_ {c} = {\ frac {1} {12}} h_ {c} ^ {3}

Și

I_{p}={\frac {1}{12}}(h^{3}-h_{c}^{3})

{\ displaystyle I_ {p} = {\ frac {1} {12}} (h ^ {3} -h_ {c} ^ {3})}

I_ {p} = {\ frac {1} {12}} (h ^ {3} -h_ {c} ^ {3})

Înlocuind în prima ecuație și împărțind numărătorul și multiplicatorul la $h^{3}$ ${\ displaystyle h ^ {3}}$ $h ^ {3}$ , grosimea totală a panoului, obținem:

D={\frac {1}{12}}h^{3}[E_{c}\lambda ^{3}+E_{p}(1-\lambda ^{3})]={\frac {1}{12}}h^{3}E^{*}

{\ displaystyle D = {\ frac {1} {12}} h ^ {3} [E_ {c} \ lambda ^ {3} + E_ {p} (1- \ lambda ^ {3})] = {\ frac {1} {12}} h ^ {3} E ^ {*}}

D = {\ frac {1} {12}} h ^ {3} [E_ {c} \ lambda ^ {3} + E_ {p} (1- \ lambda ^ {3})] = {\ frac {1 } {12}} h ^ {3} E ^ {*}

unde este:

\lambda ={\frac {h_{c}}{h}}

{\ displaystyle \ lambda = {\ frac {h_ {c}} {h}}}

\ lambda = {\ frac {h_ {c}} {h}}

În timp ce cu $E^{*}$ ${\ displaystyle E ^ {*}}$ $E ^ {*}$ a fost indicat modulul echivalent al lui Young al panoului.

Aplicații

Astronautul Malcolm Scott Carpenter examinează o structură în fagure a capsulei Aurora 7 .

Airbus A380

Noul Airbus A380 folosește un nou tip de fagure fabricat din kevlar , care se găsește în aplicații precum panourile interioare și clapele de aripi . La aceeași greutate, kevlar este de cinci ori mai puternic decât oțelul și utilizarea acestuia permite economii substanțiale de greutate. ^[2]

Terminalul 3 al Aeroportului Shenzhen-Bao'an

Acoperișul terminalului, inaugurat pe 28 noiembrie 2013, a fost construit pe un proiect al arhitecților italieni Massimiliano și Doriana Fuksas : printre caracteristicile principale ale noii construcții care acoperă o suprafață de 500.000 de metri pătrați și care conține 63 de porți și un spațiu comercial, există forma acoperișului care seamănă cu o rază de manta și este acoperită cu o piele de fagure dublu. Structura are o lungime de 1,5 kilometri și o lățime de 80 de metri. ^[3]